Una lampadina per la meccanica quantistica

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Un viaggio alla scoperta della meccanica quantistica. La teoria che ha rivoluzionato la scienza

di Carmela Gioele Galiano

Possibile che tutto sia iniziato per una lampadina? Forse sì. Nei primi anni del diciannovesimo secolo, la Germania aveva già compreso che per avere della tecnologia all’avanguardia occorresse incentivare la ricerca di base. È probabile, quindi, che quanto riportato da Heilbron, nel suo libro I dilemmi di Max Planck, non racconti una situazione troppo lontana dalla realtà. Secondo un aneddoto, infatti, il motore occulto dello sviluppo della meccanica quantistica fu la richiesta, da parte dell’industria tedesca, di una lampadina più efficiente. «È l’industria chimica che finanzia e giustifica il grosso sforzo scientifico tedesco» , afferma Massimo Palma, docente di ottica quantistica presso il dipartimento di fisica e chimica Emilio Segrè dell’università di Palermo. «Prima della meccanica quantistica i premi Nobel per la scienza tedeschi erano tutti chimici. E questi si occupavano di termodinamica». E gli studi di Planck, padre della meccanica quantistica, si inseriscono in questo filone.

Planck era alla ricerca di una maniera per spiegare la radiazione emessa da un corpo riscaldato, come può esserlo una lampadina. Un primo approccio, basato sulle conoscenze fisiche del tempo, si rivelò infruttuoso. Come atto disperato, Planck decise allora di tentare una nuova strada e di fare uso di modelli di fisica statistica suggeritigli da un altro grande fisico di quell’epoca, l’austriaco Ludwig Boltzmann. Fu l’intuizione giusta, che introdusse una nuova maniera di vedere il mondo delle particelle e che spalancò le porte per lo sviluppo della teoria dei quanti. A tale proposito, Massimo Palma ricorda che «Scienziati come Planck o Schrödinger non vollero spingersi alle interpretazioni che sono quelle della meccanica quantistica come la conosciamo adesso».

«Tuttavia, Planck ebbe l’onestà intellettuale di dire che una nuova teoria scientifica non ha successo perché uno scienziato convince i colleghi. Ma semplicemente i colleghi muoiono e a un certo punto c’è una nuova generazione che ha paradigmi differenti», conclude Palma. La meccanica quantistica come la conosciamo oggi si basa sull’interpretazione probabilistica nota come interpretazione di Copenaghen, opera di due celebri colleghi di Planck: Bohr e Heisenberg. «Ciò che distingue realmente la meccanica quantistica dalla fisica classica è il principio di sovrapposizione, ovvero il fatto che un oggetto possa trovarsi in diversi stati contemporaneamente, afferma Massimo Palma. «Perché noi percepiamo il mondo in un certo modo? Per esempio vediamo una tazza sul tavolo e non nella credenza?».

Affinché sia possibile misurare, quindi vedere, toccare, quantificare qualcosa è necessario il cosiddetto “collasso della funzione d’onda”. In altre parole un sistema quantistico è modificato dal tentativo stesso di osservarlo, finendo per mostrare uno solo dei possibili stati in cui si trova. Ciò vale però solo per sistemi di dimensioni simili a quelle delle particelle e non nel mondo macroscopico della nostra vita quotidiana. Infatti, noi vediamo la tazza dove si trova perché è grande. Quando si osserva un sistema, esso collassa in un particolare stato interno. Queste proprietà permetterebbero di espandere in maniera inimmaginabile le capacità dei calcolatori come li conosciamo oggi.

Non c’è da sorprendersi, quindi, che giganti dell’informatica come IBM e Google stiano investendo sullo sviluppo dei computer quantistici, benché la strada in questa direzione sia ancora molto lunga. Oggi, la distinzione tra il mondo microscopico e quello macroscopico, quindi misurabile, è sempre più labile.

Un ringraziamento al contributo tecnico di Antonella Clemente e Giulio Mazzolo

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